Alternatif Akım Kutupsal Devinim İle Sürekli Akışta Polistren Parçacıkların Yönlendirilmesinin Comsol Simulasyonu

Abstract

Yakın gelecekte karmaşık ve çok işlevli yonga üstü sistemler ile bütün medikal uygulamalar yapılabilir hale gelecektir ve bu işi yapan aletler mevcut büyük boyuttaki laboratuvarları bir insanın avcuna sığdıracaktır. Bunların mümkün olması fizik, kimya, biyoloji gibi ana alanları harmanlayan disiplinler arası mikro ve nano teknoloji çalışmaları ile olacaktır. Yonga üstü sistemlerin pazarı git gide büyümektedir ve her geçen gün yapılan araştırmalar hem bilimin gelişmesine, hem yeni çözümlerin dünyaya sunulmasına olanak vermektedir. Bu alanda yapılan çalışmaların sayısı da her geçen gün katlanarak artmaktadır. 1950’li yıllarda ortaya atılan kutupsal devinim elektro kinetik bir taşıma mekanizmasıdır ve hızla gelişen mikro elektromekanik ve nano teknolojiden faydalanarak bu mekanizmanın yardımıyla biyolojik parçacıkların yönlendirilmesi yapılabilir. Bu yöntem ile DNA, protein, nanotüpler, nanoparçacıklar, mikro parçacıklar, canlı hücreler yönlendirilebilir, ayrıştırılabilir veya yakalanabilirler. Alternatif Akım Kutupsal devinim asimetrik elektrik alan altında yalıtkan parçacıkların hareketidir. Uygun koşullar altında canlı parçacıklar mikro sistemler içinde kutupsal devinim ile yönlendirilebilirler. Sürekli akış altında bu parçacıkların sıvının sürüklenme kuvveti ve kutupsal devinim kuvvetinin dengelenmesiyle ayrıştırılması mümkündür. Kutupsal devinimin yönü ve şiddeti Clausius-Mossotti etkenine (CM etkeni) bağlıdır. Bu etken uygulanan elektrik alanın frekansına, parçacık ve ortamın dielektrik sabitlerine göre pozitif ya da negatif olmaktadır. Eğer bir parçacık kendini saran ortama göre daha çok kutulanabilirse CM etkeni pozitif ve parçacık üzerine etki eden kutupsal devinim kuvveti de pozitif olmaktadır. Benzer şekilde parçacık kendini saran ortama göre daha az kutuplaşabiliyor ise CM etkeni ve parçacık üzerine etki eden kutupsal devinim kuvveti negatif olmaktadır. Pozitif kutupsal devinim etkisi altında parçacık elektrik alanın yoğun olduğu bölgelere doğru yönlenirken, negatif kutupsal devinim etkisi altında parçacık elektrik alanın düşük yoğunlukta olduğu bölgelere doğru yönlenmektedir. Pozitif kutupsal devinimin etkin olduğu polistiren parçacık ve saf su karışımında farklı boyuttaki parçacıklar farklı miktarlarda kutupsal devinim kuvvetine maruz kalacaktır. Bu özellik kullanılarak sıvının sürüklenme kuvvetinin sadece bir parçayı yolundan saptırmadan diğerine etki ederek mikro kanal içinde ayrıştırılması sağlanabilir. Bahsedilen sistemin tasarımı, basit ve gerçekçi simülasyonları, istatistiksel optimizasyonu ve deneyleri bu tez kapsamında yapılan çalışmaların ana hatlarını oluşturmaktadır. Tasarım aşamasından literatür taraması yapılmıştır ve bu tarama sonucunda birbirine geçmeli elektrotlar ile polistiren parçacıkların ayrıştırılmasının yapıldığı görülmüştür. 45 derece açılı birbirine geçmeli elektrotlar ile iki girişi ve iki çıkışı olan bir tasarım yapılarak L-EDIT ile maskeleri hazırlanmıştır. Ayrıca yine bu geometriler göz onuna alınarak sistemin basitleştirilmiş ve gerçekçi simülasyonları hazırlanmıştır. Parçacık üzerine etkiyen kutupsal devinimin yönünü, akış nedeniyle doğan kuvvetlerin yönünü belirlemek için COMSOL Multiphysics 4.3a yazılımı ile elektrostatik ve akış çözümlemeleri yapılmıştır. Farklı akış hızlarında ve potansiyellerde uygulanan koşullara göre potansiyel değişimleri, elektrik alan şiddetleri, kutupsal devinim yönü akış profili, parçacık hareketleri bu yazılım ile incelenmiştir. İki farklı simülasyon yapılmıştır ve bunların ilki basitleştirilmiş, sadece iki elektrot çiftinin modellenmesi ve bu modelin çözümünün bağlı olduğu akış hızı, elektrik potansiyeli ve parçacık çapının istatistiksel bir yazılım olan Minitabtaki Yanıt Yüzeyi metodu ile optimizasyonunun yapılmasında kullanılmıştır. Bu optimizasyon çalışması yüksek kapasiteli bilgisayar donanımına ihtiyaç duyduğu için ikinci model olan ve 43 adet elektrot çifti içeren daha karmaşık modelde kullanılmamıştır. İkinci modelin analiz sonuçları verilmiş ve bunun doğrulanması için yapılan deneylere geçilmiştir. Gerçekçi olarak oluşturulan Comsol modelinin ve basitleştirilmiş modelin üzerinden, elektrik potansiyelleri 3 boyutlu olarak çizdirilmiş ve bunların değerleri grafiksel olarak gösterilmiştir. Sonrasında bu elektrik potansiyeline bağlı olarak oluşan 3 boyutlu elektrik alan çizdirilmiş ve elektrotların kanal boyunca nasıl bir elektrik alan oluşturdukları, elektrik alan kuvveti grafiksel olarak verilmiştir. Elektrik alan simülasyonları sonrasında akış simülasyonu yapılmıştır. Burada kanal girişlerinin birinden gerçek modele uygun olarak parçacık ve saf su karışımı diğerinden sadece saf su girişi tanımlanmıştır. Oluşan akış profilleri 3 boyutlu olarak verilmiş ve bunların grafiksel olarak kanal girişi, ortası ve çıkışındaki değerleri paylaşılmıştır. Elektrik alan ve akış simülasyonlarından elde edilen çözümler parçacık izleme modülüne tanımlanarak parçacıkların ve saf suyun kutupsal devinim özellikleri verilerek parçacık hareketleri 3 boyutlu olarak elde edilmiştir ve bunların ortalama kanal boyunca hareketleri grafiksel olarak verilmiştir. Ek olarak parçacıkların bu hareketleri sırasında maruz kaldıkları sıvının sürüklenme ve kutupsal devinim kuvvetinin etkileri gösterilmiştir ve parçacıkların nasıl ayrıştırıldığı açıklanmıştır. Simülasyonun yapıldığı ve ayrışmanın görüldüğü parametreler (voltaj, akış hızı, parçacık çapı) belirlenerek deney ile simülasyonların doğruluğunun tespitinin yapılmasına olanak tanınmıştır. Deneylerin yapılması için tasarımı paylaşılan yonga-üstü sistem üretilmiştir. Bu yonga-üstü sistem, cam altlık üzerinde 200 nm kalınlıkta Ti elektrot ve akışkanın bu elektrot üzerinde konumlanmasını sağlayan PDMS kanala sahiptir. Standart fotolitografi ve fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile yonga tabanlı deney düzenekleri üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada AZ 1505 pozitif fotorezist cam altlık üzerine döner kaplama cihazı ile 400 nm kalınlıkta olacak şekilde kaplanmıştır. Cam altlıkların temizlenmesi fotorezistin yüzeye daha iyi kaplanabilmesi ve eş dağılımlı bir yüzey elde edilmesi için çok önemlidir. Cam altlıklar 1 molar KOH çözeltisinde 10 dakika ultrasonik karıştırıcı içerisinde bekletilmiş, saf su ile banyo edildikten sonra aseton dolu bir kapta ultrasonik karıştırıcı içerisinde 10 dakika bekletilmiştir. Sırasıyla alkol ve saf su ile banyo edilip kurutulmuştur. Elektron ışını ile buharlaştırma yöntemi kullanılarak Ti hedef malzemeler buharlaştırılmış ve fotorezist kaplı cam altlıklar üzerine Ti kaplaması yapılmıştır. Üzerinden akım geçen filament kopan elektronlar, manyetik saptırıcılarla Ti yüklü pota üzerine düşürülerek, hedef metalin buharlaşmasını sağlamaktadır. Fotorezist kaplı cam altlıklar üzerine 200 nm Ti kaplandıktan sonra, fotorezist aseton ile çözündürülüp yüzeyden uzaklaştırılmış ve istenilen tasarımlarda elektrotlar cam yüzey üzerinde elde edilmiştir. Sonrasında ayrıştırılmak istenen parçacıklar ve saf su çözeltisini elektrotlar üzerinde geçirebilmek için gereken PDMS kanal üretilmiştir. PDMS, sıvı haldeki katılaştırıcısı ile birlikte ticari olarak satılan silikon temelli bir polimerdir. PDMS 1:10 oranında katılaştırıcı ilave edilerek karıştırılmıştır ve silikon yonga plakası üzerinde bulunan SU-8’ten yapılmış erkek kanal geometrisi üzerine dökülmüştür. PDMS kanalın oluşturulması için hazırlanan SU-8 20 µm kalınlığındadır. SU-8 ticari olarak satılan bir negatif fotorezisttir ve fotolitografi yardımı ile karanlık maskeden kanal geometrisi silikon yonga plakasında oluşturulmuştur. PDMS kanal son işlem olarak akışkan girişi ve çıkışını sağlamak için mikro delgeç ile delinmiştir. Oluşturulan elektrot ve PDMS kanalın birleştirilmesi için oksijen plazma altında yüzeyleri aktif hale getirilmiş ve sonrasında metil alkol ile kayganlaştırıcı tabaka oluşturularak mikroskop altında hizalanmıştır. Birleştirilen elektrot ve kanal vakum altına alınarak ısıtılmış ve alkol uzaklaştırılıp kuvvetli bir yapışma elde edilmiştir. Bu işlemden sonra parçacıkların kanala yapışmasını engellemek için protein çözeltisi hazırlanmış ve bu çözelti kanal içerisinde bekletilmiştir. Sonrasında saf su ile kanaldan uzaklaştırılmıştır. Yonga tabanlı sistemde akışkanın girişleri ve çıkışlarına ince borular takılmış ve bu borular mikro şırıngalara bağlanmıştır. Bu şırıngalarda mikro pompa olarak adlandırılan iticiler ile hareket ettirilerek kanalda akış sağlanmıştır. Elektrotlarda iki bileşenli iletken yapıştırıcı yardımıyla bakır kablolar ile sinyal jeneratörüne bağlanmıştır. Kanal tasarımında iki giriş ve iki çıkış mevcuttur ve bunların birine parçacık karışımı olan saf su, diğerine sadece saf su bağlanmıştır. Sonrasında floresan özelliği olan polistiren parçacıklar mikroskop altında asimetrik elektrik alandan geçirilerek incelenmiştir. Deney simülasyonun yapıldığı voltaj ve akım değerlerinde yapılarak sonuçlar elde edilmiştir. Simülasyonun sonuçları deneylerin sonuçları ile örtüşmektedir ve bu simülasyonun doğruluğunu göstermektedir. Parçacıklardan 3.2 µm çapındaki kırmızı parçacıklar kanalın üst çıkışından, 9.8 µm çapındaki yeşil parçacıklar kanalın alt çıkışından çıkarak ayrıştırma sağlanmaktadır. Comsol konferanslarında ve forumlarında kutupsal deviniminim 3 boyutlu olarak simüle edilmesi konusunda giderek artan bir çalışma yoğunluğu vardır ve bu çalışma örnek teşkil etmektedir. Yapılan bu çalışma ile ayrıştırılması başarılan mikro parçacıklar gibi canlı hücrelerde ayrıştırılabilirler. Bu sistemler tasarlanırken Comsol ve Minitab gibi programlar kullanılarak tasarım zamanları düşürülebilir ve üretim öncesinde sistemler optimize edilebilirler. Ek olarak mevcut sistemler modellenerek farklı parçacıkların üzerindeki etkilerine bakılabilir veya oluşturulan geometrilerde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. TUBITAK tarafından 111M730 proje numarası ile desteklenen bu proje süresince ulusal ve uluslararası konferanslara özetler, makaleler yollanmış ve sunumlar yapılmıştır.

In the near feature, we will see complicated and sophisticated Lab-On-a-Chip (LOC) devices for many kinds of medical application, which will fit on ones palm and does the job of a high tech laboratory. For enhancing such kinds of devices, the physical and chemical truths, theories, phenomenon will interlace with micro & nano technology. Dielectrophoresis (DEP) is a non-destructive, electro kinetic transport mechanism with potential for the separation and manipulation of bio particles in microfluidics devices. With the developments in the Microelectromechanical systems (MEMS) and nanotechnology, a large electric field with weak voltages can be obtained for manipulating, separating, and characterizing micro/ nano-sized particles such as cells, Deoxyribonucleic acid (DNA), proteins, nanotubes, and nanoparticles. In order to make adequate devices the design and simulation should well correlated to get most feasible and optimum geometry of the electrodes and the micro channel network. Basics of the DEP simulations lies on proper estimation, characterization and usage of Electro hydrodynamic forces and their effects. Simulation generally involves the electrical potential field, the flow field and the particle tracing. A three Dimensional (3D) model of the DEP chip on Multiphysics software can do simulation of these physical results. In this thesis work, angular interdigitated electrodes and Polydimethylsiloxane (PDMS) channels designed to separate the polystyrene particles and two different Comsol simulations has been performed. In the first simulation, a basic model that has only two electrode couples is used. A statistical approach known as surface response is used to obtain an optimization model for this simple model with the results obtained from Comsol simulation. An equation is generated and optimized running conditions identified for the simple model. In the second simulation, a realistic model, which has 43 electrode couples, is used. Same boundary conditions, initial conditions and estimations applied in both model. Electrostatic, flow and particle tracing modules used in Comsol simulations and results obtained for a parameter group. After that, fabrication of the LOC device explained in details and experimental setup introduced. Before the experiments, Bovine Serum Albumin (BSA) solution with Phosphate Buffered Saline (PBS) is pumped and held inside the micro channel for inhibiting the fouling. The experiment performed with the same parameter group used in Comsol simulation and results shared which are similar to the simulation results. 3.2 µm particles (Red fluorescent) are separated from the 9.8 µm particles (Green fluorescent) in both simulation and experiment. This work was supported by TUBITAK under Project No. 111M730.